0 引 言

气测录井是油气勘探的重要组成部分,能够在钻井现场快速发现油气层。随着离子火焰、红外光谱、激光光谱等技术的逐渐成熟,气测仪的检测精度也越来越高,但传统的气测录井以地面检测为基础,会受到井筒和上部地层油气显示的影响,存在测量信息滞后、受井筒影响大等缺陷。随着油气勘探的对象越来越复杂多变,为了满足生产需要,必须减小各种干扰因素的影响,更客观、准确地反映地层含油气情况。为此,研制了一种适用于井下随钻检测的红外气体检测装置,并进行了井下环境(温度、压力)模拟实验。

1 技术现状

目前国内外主要采用地层测试和井下流体分析技术实现井下气体检测。这些技术主要测量地层地质参数,需要在停钻的条件下实施,是一种不连续的间接测量方法。气体检测装置从地面延伸到地下,技术的复杂性将会剧增。

针对井下环境的特点,从20世纪90年代开始,国外率先开展了井下气体检测技术研究,但仍处于研究初期,没有形成相对成熟的技术方法。根据专利报道,目前井下气体检测主要通过钻井液采集、气体分离、气体分析的技术方案实现。钻井液采集技术主要实现对高压流体内的气体减压释放,需要采用气液分离技术在井筒内完成轻烃气体分离,要求分离设备体积小、分离程度高、分离选择性好。目前随钻脱气最为常用的分离技术主要是通过膜分离手段进行。由于井底环境条件恶劣,考虑到井下钻井液对分离膜的污染问题,需要对采样的钻井液进行过滤处理。

微电子机械系统(MEMS)技术的发展使气体检测装置微型化成为可能。目前能够小型化并应用于随钻轻烃气体检测的技术主要为光电检测技术、MEMS检测技术。考虑到井下环境的复杂性,气体检测装置需要结构相对简单,并满足井下温度、压力和微型化工艺技术条件。国外已在光电检测模块、MEMS传感器等方面申请了一系列适用于随钻检测装置的专利,就井下气体检测申请了多项原理设计专利,开发了可下井的微型色谱仪,并设计了相关集成短节,以满足井下环境对仪器微型化的需要,但距离产品在钻探现场的工业化应用还有很大的距离。国内目前对井下环境的气体检测装置研究相对较少,尚未发现相关的技术研究或报道,没有具有自主知识产权的随钻气体检测装备^[1]。

红外检测技术是目前地面录井广泛使用的气体检测技术,与传统氢火焰气相色谱法相比,其优势在于检测器本身不与待测气体直接反应,且不需要氢气发生器和空气压缩机等辅助设备,具有便携耐用、实时性强和可靠性高的特点,能够分别检测甲烷与全烃,可以满足井下环境的需要。为此,尝试采用一种适用于随钻检测的MEMS甲烷红外气体传感器作为井下随钻气体检测装置。

2 井下随钻MEMS红外气体检测装置研制

红外光谱气体分析技术基于非色散红外吸收原理,每种气体都有吸收其对应频率红外光的性质,气体吸收最强的红外光频率就称作该气体的特征吸收频率,利用待测气体的红外特征吸收频率即可进行检测。其工作原理为:红外光源辐射出的红外光通过充满待测气体的气室,与待测气体红外特征吸收频率对应波长的红外光部分被待测气体吸收,然后透过滤光片(其透射段中心波长由待测气体的红外特征吸收波长决定)到达探测器接收面,由探测器将其转化为电信号输出。待测气体浓度不同,被吸收的红外光多少也不同,而探测器输出的电信号将随着接收红外光强度的变化而变化,因而探测器输出信号的变化直接体现了待测气体浓度的变化^[2,3,4]。红外检测器的原理如图1所示。

本文利用MEMS技术,通过对传统的红外气体检测器的设计改进及器件优选,研制了耐受120℃高温的MEMS红外气体检测装置^[5]。该装置主要由红外光源、红外探测器、气室以及配套电路等组成。红外光源经脉冲信号调制后辐射出强度周期性变化的红外光,使其通过充满待测烃类气体的气室后到达安装有3.31 μm 和3.9 μm 滤光片的双通道热电堆探测器(本文选择3.31 μm波长的特征吸收峰进行甲烷气体的检测, 3.9 μm波长的吸收峰作为参考信号),探测器内部封装有热敏电阻,用于对传感器进行温度补偿^[6,7]。针对该检测装置在钻具内部安装空间狭小的特点,在传统直线光路的基础上设计了如图2所示的“Π”形折叠光路,红外光源发出的红外光经抛物面及2个45°角的平面镜反射后到达探测器接收面^[4]。

检测过程中3.31 μm波长的红外光经过烃类气体吸收,到达热电堆探测器表面的红外光强度将发生变化,热电堆探测器转化后的电信号将随之发生变化,输出信号经过放大,再经单片机进行温度补偿等数据处理并建立传感器电信号和待测气体浓度的对应关系,最后得到气室中待测气体的浓度值^[7,8]。MEMS红外气体检测装置原理如图3所示,实物如图4所示,整体尺寸为17.5 cm×3.5 cm,能够满足井下环境对小型化的要求。

3 MEMS红外气体检测装置性能测试

3.1 温度性能测试

为了测试MEMS红外气体检测装置的温度性能,将装置放置于恒温箱内,在相同的条件下分别进行25℃和120℃甲烷响应测试^[9],测试数据见表1。通过测试发现,25℃条件下示值误差小于0.5%,120℃条件下示值误差小于1.0%。

3.2 井下环境模拟测试

地面环境中,气体检测的对象是通过脱气器脱出的气体,而井下环境中的检测对象则是经半透膜分离出的钻井液中的气体^[10]。两者区别在于井下环境经半透膜分离所得气体摩尔量远小于地面环境,再经载气稀释后浓度范围非常低。针对这一问题,在对装置进行井下模拟环境测试时,采用舍弃高浓度段精度指标,对低浓度段进行精细标定方法,拓展检测下限,满足井下环境的需要。

为了测试在井下环境的适用性,研制了一种由井下钻井液抽排样模拟装置和井下环空压力模拟装置组成的井下钻井液采集模拟试验装置(图5)。该试验装置主要通过组合液压缸(液压缸A由图5中8、9、10元件组成,液压缸B由图5中16、17、18元件组成)实现井下钻井液的抽排。其中柱塞缸A为钻井液抽排样腔,利用电磁阀A与环空相连,通过电磁阀A的开关控制井下钻井液的抽排,柱塞缸B为废气废液收集腔,用于检测模块完成检测后的废液废气收集;柱塞缸中均安装有位移传感器,能够记录柱塞杆的位移,通过调节位移变化量改变腔的体积,从而实现对腔内压力的控制,最终实现钻井液的抽排功能;活塞缸为液压油腔。采集得到的钻井液与完成检测后的废液废气通过电磁阀B完成在两液压缸间的输送。为便于进行井下气体检测模拟试验,在该装置的管路中接入了检测模块(图5中15所示),包括气液分离膜与研制的MEMS红外气体传感器^[12]。

试验过程中,为了方便测试并兼顾安全的需要,本文用水模拟钻井液,并溶解甲烷气体,井下气体检测模拟试验压力设定为10 MPa。测试条件为200 mL甲烷和2 L水注入到密闭容器中,加压制得甲烷饱和水溶液,通过井下钻井液采集装置得到减压后的钻井液,通过分离膜并进行检测,载气流量为10 mL/min,经过分离膜脱气装置所得的甲烷浓度最大值为1.19%。微型气体检测器检测结果如图6所示。

3.3 测试结论

为满足井下环境随钻气体检测装置耐高温、小型化的需求,设计了MEMS红外气体检测装置, 其整体尺寸能够满足井下狭小空间的需要。对装置分别进行常温和高温性能测试的结果表明,研制的MEMS红外气体检测装置在25℃下精度优于0.5%,在120℃下精度优于1.0%,并在井下模拟环境中实现了饱和甲烷水溶液中脱出的少量甲烷气体的检测,表明可以满足井下随钻检测的需要。该传感器的研制为烃类气体的井下随钻检测提供了一种可行的选择方案。

4 井下气体检测技术方案建议

井下模拟试验验证了本文所采用的井下气体检测技术方案的可行性,但并不意味着井下气体检测技术已经成熟,距离真正完成井下气体检测工程样机还存在较大距离。目前采用的钻井液采集、气液分离、气体检测的技术方案,从原理上可以实现井下气体检测,但由于技术方案复杂,也会给井下环境下设备运行的可靠性带来影响,故需要进一步加强钻井液采集、气液分离、气体检测各单项技术在井下复杂环境(高温、高压、振动)的深化研究。

在这种情况下,对单项技术进行整合简化显得尤为重要,如果能对所采集钻井液直接进行气体检测,可能就是一种比较好的技术方案。井下高压钻井液需要降压后进行采集,其中溶解的烃类气体会随着压力的下降而析出,收集析出的气体直接进行检测,可以减少膜分离带来的分离效率低、膜表面易污染影响脱气等问题,有利于提高检测精度和系统整体的可靠性。

另外,建议采用光谱法。这也是一种可以直接分析钻井液组分的可行性检测手段, 它可以在非接触情况下对流体进行识别,DFA(井底地层流体分析仪器)就是以流体的光谱吸收和荧光分析为基础,通过将光谱检测窗口与高压流体相隔离,可以在深水、高温、高压等极端环境下识别样品中的甲烷、轻质烃、重质烃、二氧化碳和水等组分。WellDog公司研发的井下拉曼光谱仪可以在深水、高温、高压等极端环境下,准确可重复地对目的层物性进行高效分析和测量,其原理是基于激光拉曼光谱分析方法,采用激光照射被测对象,通过对与入射光频率不同的散射光谱进行分析得到分子振动、转动等参数,分析生成的光子颜色判定物质类型,分析每种颜色光子的数量,从而测算每种物质的含量。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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